由于能源危機(jī)和環(huán)境問題日益嚴(yán)峻,通過光伏發(fā)電技術(shù)對(duì)太陽能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換是可再生能源的重要利用方式之一。其中,集產(chǎn)電和集熱于一體的太陽能光伏電-熱系統(tǒng)(PV-T)將未利用的熱量及時(shí)帶走,控制了PV電池工作溫度,使太陽能綜合利用效率明顯提高,已成為太陽能利用技術(shù)中的研究熱點(diǎn)之一。為提高系統(tǒng)熱性能,大多在PV電池上部加裝玻璃蓋板,從而形成了有封閉腔體的PV-T系統(tǒng)散熱側(cè)。由于外界環(huán)境的存在,PV-T系統(tǒng)散熱側(cè)存在各種形式的熱損失,將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的綜合利用效率。因此,對(duì)PV-T散熱側(cè)的研究是提高系統(tǒng)性能的重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外,若將PV-T系統(tǒng)的集熱量通過溫差發(fā)電器再次轉(zhuǎn)化為電能,則構(gòu)成了光伏-溫差發(fā)電復(fù)合系統(tǒng)(PV–TE)。近年來在熱電材料方面的研究進(jìn)展,使得PV-TE系統(tǒng)的關(guān)注度快速提升。本文對(duì)PV-T系統(tǒng)散熱側(cè)的熱損失機(jī)制和特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究。首先,對(duì)于無玻璃蓋板的PV-T系統(tǒng),通過數(shù)值模擬研究傾角、環(huán)境風(fēng)、不同熱邊界條件等對(duì)PV板對(duì)流傳熱的影響,得到了耦合多種參數(shù)的對(duì)流Nusselt數(shù)關(guān)聯(lián)式。同時(shí),搭建相關(guān)實(shí)驗(yàn)臺(tái),用電加熱的方法模擬PV板熱損失,揭示無/有風(fēng)環(huán)境下的散熱機(jī)理。然后,針對(duì)有玻璃蓋板的PV-T系統(tǒng),對(duì)由玻璃蓋板和PV板構(gòu)成的封閉腔體內(nèi)的傳熱過程分別進(jìn)行二維和三維數(shù)值模擬。二維模擬中,討論P(yáng)V電池布置方式、光學(xué)常數(shù)等對(duì)流動(dòng)和傳熱的影響;在三維模擬中,討論初始條件和熱邊界條件等對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性的影響,并逐步分析從穩(wěn)態(tài)到混沌態(tài)過程中的流型轉(zhuǎn)變和特征。在此基礎(chǔ)上,又對(duì)同時(shí)耦合腔體內(nèi)部和外部的傳熱過程進(jìn)行二維數(shù)值模擬,分析耦合傳熱在各參數(shù)下對(duì)腔體內(nèi)部、外部Nusselt數(shù)、總熱損失系數(shù)以及PV電池“熱點(diǎn)”溫度的影響;同時(shí),在腔體內(nèi)部加入肋片,比較有/無肋片腔體的傳熱性能差異。最后,提出在PV-TE上部加入玻璃蓋板且采用納米流體冷卻,借助數(shù)值計(jì)算結(jié)果,對(duì)PV-TE系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,對(duì)比有/無蓋板的系統(tǒng)電性能,討論一些重要參數(shù)的耦合作用對(duì)效率的影響。本文一方面可豐富和發(fā)展PV-T系統(tǒng)散熱損失理論,另一方面為PV-T和PV-TE系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能改善提供科學(xué)依據(jù)。主要研究結(jié)果如下:(1)對(duì)于無玻璃蓋板的PV-T系統(tǒng)散熱側(cè),三維數(shù)值結(jié)果表明,相較于恒熱流,考慮光電轉(zhuǎn)換特性的邊界條件對(duì)對(duì)流Nusselt數(shù)(Nuc)的影響不大,但熱流云圖卻顯示出完全相反的分布。Nuc隨傾角總是先降低至臨界最低值后升高,且此臨界值隨著風(fēng)速的增加向高角度移動(dòng)。風(fēng)向角對(duì)對(duì)流傳熱的影響隨傾角而變,傾角為30°、45°時(shí),風(fēng)向角對(duì)Nuc基本上起促進(jìn)作用,而其它傾角下Nuc呈先降低后升高的趨勢(shì),這是由于環(huán)境風(fēng)入射角和環(huán)境風(fēng)偏向角的共同作用。熱流密度對(duì)對(duì)流傳熱的影響僅在風(fēng)速較小時(shí)明顯,而無論風(fēng)速如何均顯著增強(qiáng)了輻射換熱。此外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出,無風(fēng)環(huán)境下,均勻熱流時(shí)的Nuc在低傾角時(shí)始終較高,隨著熱流梯度參數(shù)的增加,各傾角下Nuc的差距將逐漸縮小;有風(fēng)環(huán)境下,迎風(fēng)時(shí)的Nuc較高,背風(fēng)時(shí)的Nuc隨傾角始終呈下降趨勢(shì)。(2)對(duì)于有玻璃蓋板的PV-T系統(tǒng)散熱側(cè)腔體,二維模擬顯示,大多數(shù)工況中腔體內(nèi)的空氣流動(dòng)皆處于穩(wěn)定狀態(tài);輻射換熱量占有較大比重,增加折射指數(shù)或減小吸收系數(shù)均可使輻射Nusselt數(shù)降低。三維模擬則表明,大多數(shù)工況的結(jié)果均為非穩(wěn)態(tài);取決于初始條件,在臨界穩(wěn)定角附近的流態(tài)轉(zhuǎn)變可能出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象;隨著傾角的降低,流型逐漸經(jīng)歷由周期性流動(dòng)、多模式流動(dòng)至混沌流的轉(zhuǎn)變。(3)對(duì)于同時(shí)耦合腔體內(nèi)部和外部傳熱過程的二維模擬,結(jié)果表明:PV電池“熱點(diǎn)”溫度的分布受傾角和風(fēng)速的共同影響。不同于腔體內(nèi)部對(duì)流Nusselt數(shù)的階躍變化特征,總熱損失系數(shù)在大部分角度區(qū)間的變化均比較平緩。肋片的加入有效降低了PV電池的最高溫度,使溫度分布更加均勻,當(dāng)傾角較高時(shí),PV電池間“熱點(diǎn)”溫度的差值減小,但肋片長度對(duì)腔體傳熱的影響有所差異。當(dāng)肋片較長時(shí),腔體內(nèi)的對(duì)流傳熱Nusselt數(shù)在較大傾角范圍內(nèi)幾乎都有所提高,而其總換熱能力卻相對(duì)被抑制。(4)對(duì)于PV-TE系統(tǒng)的理論分析,有/無玻璃蓋板系統(tǒng)的對(duì)比結(jié)果表明,取決于PV電池溫度系數(shù)和熱電材料品質(zhì)因數(shù),系統(tǒng)電效率隨聚光比的增大可增加、可降低、可保持不變;當(dāng)品質(zhì)因數(shù)較大時(shí),有玻璃蓋板的系統(tǒng)效率在某一臨界聚光比后將大于無玻璃蓋板系統(tǒng)。此外,相較于純水,納米流體有效促進(jìn)了電效率的提高。納米流體流速對(duì)系統(tǒng)電效率始終起促進(jìn)作用,而環(huán)境風(fēng)速的影響則較復(fù)雜。當(dāng)溫度系數(shù)較大而品質(zhì)因數(shù)較小時(shí),風(fēng)速的增加提高了系統(tǒng)效率;然而,隨著溫度系數(shù)的減小,電效率與風(fēng)速將始終呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TK51
【部分圖文】：

圖 1.1 無玻璃蓋板（左）和有玻璃蓋板（右）的 PV-T 系統(tǒng)剖面圖Fig.1.1 Cross-sectional view of unglazed (left) and glazed (right) PV-T systems表 1.2 PV-T 和 PV-TE 的比較Table 1.2 Comparison of PV-T and PV-TE較參數(shù) PV-T PV-TE計(jì) 設(shè)計(jì)簡單，配置完善，多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以滿足不同市場需求靜態(tài)裝置，研究中，致力于總能量出最大化本 被動(dòng)冷卻系統(tǒng)：總成本較小；強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)：需泵以驅(qū)動(dòng)冷卻劑，泵及控制裝置需額外的成本；TE 的初始成本較高，TE 的產(chǎn)出能至今經(jīng)濟(jì)性不高護(hù) 冷卻流體系統(tǒng)需每年維護(hù) 無冷卻系統(tǒng)，無需維護(hù)用條件 適用于發(fā)電能力低于 10kW 的中型和大型分布式能源適用于發(fā)電能力低于 2kW 的系統(tǒng)，TE 產(chǎn)生的能量僅占總產(chǎn)能的 5-13%最大效率為 12%收期 12-17 年[30]10-15 年

將對(duì)有玻璃蓋板和無玻璃蓋板的 PV-T 系統(tǒng)散熱特性進(jìn)行詳細(xì)闡E 系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀也做一論述。-T 系統(tǒng)散熱特性研究現(xiàn)狀無玻璃蓋板的 PV-T 系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行過程中通常置于有風(fēng)環(huán)境存在 PV 板表面的強(qiáng)制對(duì)流-熱輻射耦合傳熱過程，相關(guān)的文獻(xiàn)節(jié)中。 1.2 所示為有玻璃蓋板的 PV-T 系統(tǒng)散熱側(cè)示意圖，由封閉腔體成。封閉腔體底部為太陽能電池板，頂部為玻璃蓋板，與水平體傾角 �？紤]到 PV 電池和玻璃蓋板表面的輻射特性，PV-T是一個(gè)由腔體內(nèi)部的自然對(duì)流-熱輻射耦合和腔體外部的強(qiáng)制成的串聯(lián)過程。鑒于同時(shí)考慮這兩個(gè)傳熱過程的相關(guān)文獻(xiàn)較少對(duì)腔體內(nèi)部傳熱的研究現(xiàn)狀做一詳盡闡述（見 1.2.2、1.2.3 節(jié)）耦合傳熱的文獻(xiàn)進(jìn)行分析（見 1.2.4 節(jié)）。

0.5m/s、輻射強(qiáng)度 600W/m2時(shí) BIPV 表面溫度云圖的實(shí)驗(yàn)和mparison of the temperature contours of the front surface of the Bl (top) and computational (bottom) studies when upstream velocityradiation intensity is 600W/m2[66] 1.4 分別對(duì)線性和指數(shù)形式下的部分對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)表 1.3 環(huán)境風(fēng)下對(duì)流傳熱系數(shù)(W/m2K)的線性形式: hw=a+bv Linear equation form of the wind convection coefficient (W/m2Ka b 相關(guān)說明2]5.8 3.95 風(fēng)洞測(cè)量，平板，平行流，v<5m/s[67]5.7 3.8 風(fēng)洞測(cè)量，平板，光滑表面，平行流，6.2 4.3 風(fēng)洞測(cè)量，平板，粗糙表面，平行流，]6.05 4.08 風(fēng)洞測(cè)量，垂直平板，粗糙表面，v≤5m
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

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本文編號(hào)：2839321